JP4055516B2

JP4055516B2 - 偏光変換素子及びプロジェクタ

Info

Publication number: JP4055516B2
Application number: JP2002248349A
Authority: JP
Inventors: 秀精山川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004085981A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を投写表示するプロジェクタ、および該プロジェクタに用いられる偏光分離素子、偏光変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタは、液晶パネルで光を変調して、スクリーン上に画像を投写する。プロジェクタでは、妥当なコストで十分な明るさを確保できる光源として、高圧水銀ランプが使用されることが多い。
【０００３】
光源からの照射光を有効に活用するため、プロジェクタでは、照射光をｓ偏光またはｐ偏光に揃えて液晶パネルに入射する偏光変換部が設けられている。例えば、照射光をｓ偏光に変換する偏光変換部は、照射光をｓ偏光とｐ偏光とに分離する偏光分離膜と、分離されたｐ偏光をｓ偏光に変換する位相差層とから構成される。
【０００４】
偏光変換部でｓ偏光またはｐ偏光にそろえられた光は、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３色光に分離される。色光の光束は、３枚の液晶パネルによって、色ごとに変調された後、合成され、投写される。
【０００５】
良好な色バランスで画像を投写するためには、光源から射出される光に含まれる３色光の強度が均等であることが好ましいが、高圧水銀ランプは、Ｇ，Ｂに比較してＲが弱いという特性がある。かかる強度差に起因する色バランスを調整するための方法としては、フィルタによりＧ，Ｂ全体の強度を低下させる方法、Ｇ，Ｂについては暗めになるよう液晶パネルでの変調を調整する方法が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に光源からの光束は、中心近傍ほど強度が強く、平行光に近い良質な光となっている。従来の方法では、Ｇ，Ｂについて、こうした良質な光の強度も低下させるため、投写におけるエネルギ効率が悪かった。また、熱が発生しやすい、全体が暗くなりやすいなどの課題があった。
【０００７】
光源に起因する色バランスの不良は、プロジェクタ一般に共通の課題であった。本発明は、この課題を解決するためになされたものであり、プロジェクタにおいて、光源に起因する色バランスの不良を、効率的に補償するための技術を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、画像を投写するプロジェクタにおいて、光源から投写レンズまで、光束が通過する光路上に、光束の一部について、光束を色光に分離するとともに、強度が相対的に弱い色光を光路内に導く強度調整部を備えるものとした。光源は、色光間で相対的に強度差を有する特性があるものとする。
【０００９】
本発明によれば、光束の一部について、強度が相対的に弱い色光を光路内に導くことができる。強度が相対的に強い色光については、吸収、反射、透過などによって投写レンズまで至らないようにすることができる。かかる強度調整を、光束の一部について行うことにより、強度の相対的に強い光についても、一部は投写に直接活用することができる。従って、効率的に色光間の強度差を補償することができる。
【００１０】
本発明では、光束を複数の部分光束に分割するレンズアレイを備え、この部分光束が通過するいずれかの光路上に強度調整部を設けることが好ましい。部分光束の一部で強度調整することにより、その他の部分光束への影響を抑制することができる。
【００１１】
本発明において、強度調整は、例えば、強度の相対的に弱い色光を選択的に透過または反射する色分離部により実現することができる。
【００１２】
本発明において、強度調整部は、光束の周辺部の光を分離するよう設けることが好ましい。こうすることにより、中心近傍の良質な光は、そのまま投写に活用しつつ、強度差の補償を行うことができる。
【００１３】
液晶パネルを用いて変調を行う液晶プロジェクタの場合には、周辺部で強度調整することにより、以下に示す通り、コントラスト特性を向上することができる利点もある。一般に、液晶パネルのコントラスト特性は、入射角によって変化することが知られており、液晶パネルの法線方向からずれるほどコントラスト特性が低下する。液晶パネルに入射する光束のうち、周辺部の光は、法線方向からずれて入射することが多いため、コントラスト特性を低下させることがある。本発明において、周辺部の光を分離するよう強度調整部を設ける場合には、強度の相対的に強い色光について、コントラスト特性を低下させる入射角の光を抑制することができる。従って、コントラスト特性を向上させることができる。
【００１４】
本発明は、ＤＭＤ（登録商標）を用いたプロジェクタや液晶プロジェクタなど種々のプロジェクタに適用可能である。液晶プロジェクタに適用する場合には、例えば、光束を所定のｓ偏光またはｐ偏光にそろえるための偏光変換素子に強度調整部を設けることが好ましい。偏光変換素子には、ｓ偏光とｐ偏光とを分離するための偏光分離膜と、偏光分離膜で分離された偏光を射出方向に反射する反射膜とが透光性部材を介して積層されている。かかる偏光変換素子において、反射膜の少なくとも一部を、強度の相対的に弱い色光を選択的に反射するよう構成することにより、強度調整部を実現することができる。
【００１５】
例えば、偏光分離膜と反射膜とが透光性部材を介して複数枚交互に積層されている偏光変換素子の場合、反射膜の少なくとも一層を、強度の相対的に弱い色光を選択的に反射する領域（以下、選択反射領域と呼ぶ）とすることができる。反射膜の一部領域を、選択反射領域としてもよい。先に説明したコントラストの向上効果を考えると、選択反射領域は、最も外層を含むことが好ましい。
【００１６】
偏光変換素子には、偏光分離膜と反射膜とを一層ずつ備えるタイプも存在する。かかるタイプでは、反射膜の一部領域を選択反射領域としてもよい。
【００１７】
本発明は、種々のタイプの光源に適用可能である。高圧水銀ランプを光源とする場合には、強度が相対的に弱い色光はレッドとなる。
【００１８】
本発明は、上述したプロジェクタとしての構成の他、種々の態様で構成可能である。例えば、上述の強度調整部を備えた偏光変換素子、偏光分離素子として構成してもよいし、かかる偏光変換素子の製造方法として構成してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
Ａ．全体構成：
図１は実施例としてのプロジェクタの概略構成を示す説明図である。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００、色光分離光学系２００、リレー光学系２２０、３つの液晶パネル３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５２０、および投写レンズ５４０を備えている。
【００２０】
照明光学系１００は光源装置１２０から光を射出する。色光分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２０２、２０４によって、この光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離する。ダイクロイックミラー２０２は、赤色光Ｒを透過させ、青色光Ｂと緑色光Ｇとを反射することで、赤色光Ｒを分離する。ダイクロイックミラー２０４は、青色光Ｂを透過させ緑色光Ｇを反射することで、青色光Ｂと緑色光Ｇとを分離する。
【００２１】
赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射し、フィールドレンズ２３２を通って、液晶パネル３００Ｒに入射する。フィールドレンズ２３２は、この入射光を中心軸に対してほぼ平行な光束に変換する。緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２０４で反射し、フィールドレンズ２３４を通って、液晶パネル３００Ｇに入射する。青色光は、リレー光学系２２０によって液晶パネル３００Ｂに入射する。リレー光学系２２０は、３つのレンズ、即ち、入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６、およびフィールドレンズ２３０と、２つの反射ミラー２２４、２２８で構成されている。
【００２２】
各色光は、液晶パネル３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂで画像情報に応じて変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム５２０で合成され、投写レンズ５４０を介してスクリーンＳＣ上に投写される。
【００２３】
本実施例では、高圧水銀ランプを光源装置１２０として用いた。高圧水銀ランプは、Ｒの強度が、Ｇ，Ｂの強度に比較して相対的に弱いという特性を有している。
【００２４】
Ｂ．照明光学系：
図２は照明光学系１００の拡大図である。本実施例では、インテグレータ光学系、即ち光源からの光束を複数の部分光束に分割した後、液晶パネルに重畳する光学系を用いた。
【００２５】
照明光学系１００において、光源装置１２０は略平行な光線束を射出する。光源ランプ１２２から射出された光は、リフレクタ１２４によって反射される。本実施例では、リフレクタ１２４は、回転楕円面形状の凹面としたが、回転放物面形状の凹面としてもよい。反射光は、平行化レンズ１２６によって光源光軸１２０ａｘにほぼ平行な光に変換される。
【００２６】
第１のレンズアレイ１４０は、マトリクス状に配列された複数の平凸レンズ１４２を有している。各平凸レンズ１４２をｚ方向から見たときの外形形状は、液晶パネルＬＡと相似形である。第１のレンズアレイ１４０は、光源装置１２０からの射出された光線束を複数の部分光線束に分割する。
【００２７】
第２のレンズアレイ１５０は、第１のレンズアレイ１４０と同様、マトリクス状に配列された複数の平凸レンズ１５２を有している。第２のレンズアレイ１５０は、部分光線束のそれぞれの中心軸がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行となるように揃える機能を有する。
【００２８】
偏光変換素子１６０は、遮光板６２、偏光ビームスプリッタアレイ６４、および選択位相差板６６を備えている。
【００２９】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材が複数貼り合わされている。各透光性板材の界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。偏光分離膜６４ａは、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射することにより、入射した部分光線束をｓ偏光とｐ偏光とに分離する。偏光分離膜６４ａは、例えば、誘電体多層膜で形成することができる。反射膜６４ｂは、全光束を反射する膜であり、誘電体多層膜や金属膜で形成することができる。
【００３０】
遮光板６２には、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されている。遮光面６２ｂは反射膜６４ｂへの光の入射を遮るよう配置され、開口面６２ａは、偏光分離膜６４ａに光を入射させるよう配置されている。遮光板６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いてもよい。
【００３１】
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとがストライプ状に配列されている。開口層６６ａは、偏光光をそのまま透過する。λ／２位相差層６６ｂは、有機物で構成された偏光変換素子であり、入射光の偏光方向を直交する方向に変換して射出する。この機能により、例えば、ｐ偏光はｓ偏光に変換される。λ／２位相差層６６ｂは、偏光分離膜６４ａを透過した光が入射するよう配置されている。
【００３２】
レンズアレイ１４０、１５０から射出された部分光線束は、遮光板６２の開口面６２ａを通り、偏光分離膜６４ａに入射する。入射光のうち、ｐ偏光は偏光分離膜６４ａを透過してλ／２位相差層６６ｂに入射し、ｓ偏光に変換される。入射光のうち、ｓ偏光は偏光分離膜６４ａで反射され、さらに反射膜６４ｂで反射されて開口層６６ａからそのまま射出される。この結果、偏光変換素子１６０からの射出光は、ｓ偏光にほぼ統一される。偏光変換素子１６０は、λ／２位相差層６６ｂと開口層６６ａとの配置を入れ替えることにより、ｐ偏光に統一する機構として構成してもよい。
【００３３】
偏光変換素子１６０から射出された部分光線束は、重畳レンズ１７０によって照明領域ＬＡ上で重畳される。このとき、照明領域ＬＡを照射する光の強度分布は、ほぼ均一となる。
【００３４】
Ｃ．偏光変換素子：
図３は偏光変換素子１６０の拡大断面図である。図２で説明した通り、偏光ビームスプリッタアレイ６４を構成する透光性板材の界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。
【００３５】
本実施例では、最も外部の反射膜６４ｃは、Ｒのみを選択的に反射するダイクロイックミラーとなっている。従って、最外部の開口部から入射した光については、偏光分離膜６４ａで反射されたｓ偏光のうちＲ成分のみが射出され、Ｇ，Ｂ成分は偏光変換素子１６０外に放射されることになる。この結果、偏光変換素子１６０から射出される光は、入射光に比べてＧ，Ｂ成分の強度が低減された光となる。また、Ｇ，Ｂ成分の強度は、偏光変換素子１６０から射出される光束の周辺部分において低減されることになる。
【００３６】
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、対称構造を有している。図３では上半分を図示したが、下半分も同様に最外部の反射膜はＲのみを選択的に反射するダイクロイックミラーとなっている。
【００３７】
Ｇ，Ｂ成分の低減量は、開口幅Ｄによって調整可能である。光源装置１２０から射出される光における各色成分の強度差を補償するよう、開口幅Ｄを設定すればよい。
【００３８】
以上で説明した本実施例のプロジェクタによれば、ダイクロイックミラーによって、Ｇ，Ｂ成分の強度を低減することにより、光源に含まれる色光間の強度差を補償することができ、投写画像の色バランスを良好にすることができる。また、強度調整は光束の周辺部について行われるから、Ｇ，Ｂ光についても、光束の中心近傍の良質な光は投写に直接活用することができる。
【００３９】
更に、本実施例によれば、光束の周辺部で強度調整することにより、Ｇ，Ｂについて液晶パネルに対して法線方向からずれて入射される光を抑制することができる。一般に、液晶パネルは、法線方向からずれて入射される光に対してコントラスト特性が低いという特徴があるから、本実施例では、かかる成分を抑制することにより、コントラスト特性を向上させることができる。
【００４０】
Ｄ．第１変形例：
図４は第１変形例としての偏光変換素子１６０Ａの拡大断面図である。実施例では、最外側の全領域について、Ｒのみを選択的に反射するダイクロイックミラーとした。これに対し、変形例では、最外側の一部の領域６４ｄ２をダイクロイックミラーとし、その他の領域６４ｄ１は、全ての色光成分を反射する反射膜とした。
【００４１】
こうすることにより、破線で示すように、領域６４ｄ１への入射光は、Ｒ，Ｇ，Ｂの全成分が射出され、領域６４ｄ２への入射光は、Ｒ成分のみが射出される。従って、領域６４ｄ２の面積を調整することにより、Ｇ，Ｂ成分の強度補償量を調整することができる。
【００４２】
図４では、最外側の両端に、ダイクロイックミラーの領域６４ｄ２を設ける場合を例示したが、一方の端に偏らせて設けてもよい。光束の周辺部の成分を低減させるという観点からすれば、図４中の右側に偏らせて領域６４ｄ２を設けることが好ましい。
【００４３】
図４では、Ｒのみを選択的に反射するダイクロイックミラーを設ける場合を例示したが、最外側を３つの領域に分け、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれを選択的に反射する３種類のダイクロイックミラーを設けても良い。こうすれば、３つの領域の面積を調整することにより、Ｇ、Ｂ間の強度補償も含めて、各色間の強度補償をより精度良く行うことができる。
【００４４】
Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれを選択的に反射する３種類のダイクロイックミラーは、変形例（図４）の構成に限らず、実施例（図３）において適用しても構わない。例えば、上側の最外層にはＲのみを選択的に反射する層を設け、下側の最外層には、Ｇ，Ｂを選択的に反射する層を設けるものとしてもよい。
【００４５】
Ｅ．第２変形例：
図５は第２変形例としての偏光変換素子の拡大断面図である。実施例では、２組のレンズアレイの射出側に偏光変換素子が設けられている場合を例示したが、第２変形例では、２組のレンズアレイ２４０、２５０の間に設けられている構成を例示する。レンズアレイ２４０、２５０の構成は、平凸レンズをマトリックス状に配置している点では、実施例と同じであるが、レンズアレイ２５０を構成する平凸レンズのサイズは、レンズアレイ２４０よりも小さくなっている点で実施例と異なる。
【００４６】
第２変形例の偏光変換素子では、レンズアレイ２４０、２５０の間に、プリズム２６０が配置されている。プリズム２６０の斜辺には、偏光分離膜２６４と反射膜２６５が設けられている。反射膜２６５の両端は、Ｒ成分のみを選択的に反射するダイクロイックミラー２６６となっている。
【００４７】
レンズアレイ２４０を通過した光は、図中に矢印で示す通り、プリズム２６０に入射する。入射光のうち、ｓ偏光は偏光分離膜２６４で反射される。ｐ偏光は、偏光分離膜２６４を透過した後、反射膜２６５で反射される。偏光分離膜２６４の厚さ、レンズアレイ２５０のサイズおよび配置は、ｓ偏光とｐ偏光が、レンズアレイ２５０を構成する個別の平凸レンズに入射するよう設定されている。図示を省略するが、λ／２位相差層を、ｓ偏光またはｐ偏光の一方の光路にのみ設けることにより、いずれかに統一された偏光を得ることができる。λ／４位相差板を、偏光分離膜２６４と反射膜２６５の間に設ける構成としてもよい。
【００４８】
両端のダイクロイックミラー２６６への入射光は、図中に破線で示す通り、ｐ偏光のうちのＲ成分のみが反射される。従って、Ｂ，Ｇ成分の強度を低減することができる。強度の低減量は、ダイクロイックミラー２６６の面積によって調整することができる。
【００４９】
第２変形例においても、第１変形例と同様、反射膜２６５のいずれか一方の端に偏らせてダイクロイックミラーを設けるものとしてもよい。また、Ｒ、Ｇ、Ｂを選択的に反射するダイクロイックミラーをそれぞれ配置してもよい。
【００５０】
Ｆ．第３変形例：
図６は第３変形例としての偏光変換素子の拡大断面図である。第２変形例と類似の構成であるが、２つのプリズム３６０ａ，３６０ｂに分けられている点が相違する。プリズム３６０ａ、３６０ｂの斜辺には、偏光分離膜３６４と反射膜３６５が設けられている。反射膜３６５の両端は、Ｒ成分のみを選択的に反射するダイクロイックミラー３６６となっている。
【００５１】
かかる構成によっても、第２変形例と同様、Ｇ，Ｂの強度を低減させることができる。プリズムが更に多段階に分割されていても同様である。第３変形例においても、第１変形例と同様、反射膜２６５のいずれか一方の端に偏らせてダイクロイックミラーを設けるものとしてもよい。また、Ｒ、Ｇ、Ｂを選択的に反射するダイクロイックミラーをそれぞれ配置してもよい。以上の実施例では、Ｒ成分が相対的に弱い高圧水銀ランプについて説明したが、２色の色光が相対的に弱い他の光源（ランプ）を用いた場合には、前記２色の色光を選択的に透過あるいは反射する構成とすることも可能である。
【００５２】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【００５３】
（１）本発明は、高圧水銀ランプに限らず、色光間で強度差がある種々の光源を用いたプロジェクタに適用可能である。
【００５４】
（２）本発明は、液晶プロジェクタに限らず、ＤＭＤを用いたプロジェクタに適用してもよい。
【００５５】
（３）色光間の強度補償を行うための構成は、偏光変換素子に限らず、光束が通過する光路上の任意の部位に設けることが可能である。また、光束の一部の領域で行うものであればよく、必ずしも光束の周辺部で強度補償を行う必要はない。
【００５６】
（４）色光の一部のみを選択的に反射するダイクロイックミラーに代えて、選択的に透過する透過膜を用いてもよい。強度を低減したい色を選択的に吸収する素材を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としてのプロジェクタの概略構成を示す説明図である。
【図２】照明光学系１００の拡大図である。
【図３】偏光変換素子１６０の拡大断面図である。
【図４】第１変形例としての偏光変換素子１６０Ａの拡大断面図である。
【図５】第２変形例としての偏光変換素子の拡大断面図である。
【図６】第３変形例としての偏光変換素子の拡大断面図である。
【符号の説明】
６２…遮光板
６２ｂ…遮光面
６２ａ…開口面
６４…偏光ビームスプリッタアレイ
６４ａ…偏光分離膜
６４ｂ…反射膜
６４ｃ…反射膜
６６…選択位相差板
６６ａ…開口層
６６ｂ…λ／２位相差層
１００ａｘ…システム光軸
１００…照明光学系
１２０…光源装置
１２０ａｘ…光源光軸
１２２…光源ランプ
１２４…リフレクタ
１２６…平行化レンズ
１４０…第１のレンズアレイ
１４２…平凸レンズ
１５０…第２のレンズアレイ
１５２…平凸レンズ
１６０、１６０Ａ…偏光変換素子
１７０…重畳レンズ
２００…色光分離光学系
２０２、２０４…ダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…リレー光学系
２２２…入射側レンズ
２２４…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０、２３２、２３４…フィールドレンズ
２４０、２５０…レンズアレイ
２６０…プリズム
２６４…偏光分離膜
２６５…反射膜
２６６…ダイクロイックミラー
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶パネル
３６０ａ，３６０ｂ…プリズム
３６４…偏光分離膜
３６５…反射膜
３６６…ダイクロイックミラー
５２０…クロスダイクロイックプリズム
５４０…投写レンズ
１０００…プロジェクタ

Claims

複数の色光間の強度が相対的に異なる光束をｓ偏光またはｐ偏光にそろえるための偏光変換素子であって、
前記光束を分割した複数の部分光束のそれぞれをｓ偏光とｐ偏光に分離する複数の偏光分離膜と、
前記複数の偏光分離膜のそれぞれで分離された偏光を射出方向に反射する複数の反射膜と、
を備え、
前記複数の偏光分離膜と前記複数の反射膜とは、透光性部材を介して交互に積層されており、
前記複数の反射膜のうちの前記偏光変換素子の最外部に位置する最外反射膜は、前記強度が相対的に弱い色光を反射し、その他の色光を透過する、
偏光変換素子。
請求項１記載の偏光変換素子であって、
前記最外反射膜は、前記最外反射膜の両端において、前記強度が相対的に弱い色光を反射し、その他の色光を透過する、
偏光変換素子。
請求項１記載の偏光変換素子であって、
前記最外反射膜は、前記最外反射膜の前記射出方向側の端部において、前記強度が相対的に弱い色光を反射し、その他の色光を透過する、
偏光変換素子。
画像を投写するプロジェクタであって、
請求項１ないし３のいずれか記載の偏光変換素子と、
前記光束を射出する光源と、
前記光束を前記部分光束に分割するレンズアレイと、
前記光源から投写レンズまで、前記光束が通過する光路上に設けられ、前記色光の変調を行うための液晶パネルと、
を備えるプロジェクタ。